Datacenters - speciale ruimtes voor het opslaan, verwerken en verspreiden van gegevens - maken alles mogelijk, van cloudcomputing tot videostreaming. Daarbij verbruiken ze een grote hoeveelheid energie voor het heen en weer overbrengen van gegevens in het centrum. Nu de vraag naar data exponentieel groeit, neemt de druk op datacenters toe om energiezuiniger te worden.

Datacenters bevatten servers, krachtige computers die met elkaar praten via interconnects, dit zijn fysieke verbindingen die de uitwisseling van gegevens mogelijk maken. Een manier om het energieverbruik in datacenters te verminderen, is door licht te gebruiken om informatie te communiceren met elektrisch gestuurde optische schakelaars die de lichtstroom, en dus informatie, tussen servers regelen. Deze optische switches moeten multifunctioneel en energiezuinig zijn om de voortdurende uitbreiding van datacenters te ondersteunen.

In een artikel dat op 4 juli online is gepubliceerd in Nature Nanotechnology , rapporteerde een team onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Washington het ontwerp van een energiezuinige, op silicium gebaseerde niet-vluchtige schakelaar die licht manipuleert door het gebruik van een faseovergangsmateriaal en grafeenverwarmer.

"Dit platform verlegt echt de grenzen van energie-efficiëntie", zegt co-corresponderende auteur Arka Majumdar, een universitair hoofddocent natuurkunde en elektrische en computertechniek, evenals een faculteitslid van het UW Institute for Nano-Engineered Systems en de Instituut voor Moleculaire &Ingenieurswetenschappen. "Vergeleken met wat momenteel in datacenters wordt gebruikt om fotonische circuits te besturen, zou deze technologie de energiebehoeften van datacenters aanzienlijk verminderen, waardoor ze duurzamer en milieuvriendelijker worden."

Silicium-fotonische schakelaars worden veel gebruikt, deels omdat ze kunnen worden gemaakt met behulp van gevestigde halfgeleiderfabricagetechnieken. Traditioneel zijn deze schakelaars afgestemd door middel van thermisch effect, een proces waarbij warmte wordt toegepast - vaak door een stroom door een metaal of halfgeleider te leiden - om de optische eigenschappen van een materiaal in de schakelaar te veranderen en zo het pad van het licht te veranderen. Dit proces is echter niet alleen niet energie-efficiënt, maar de veranderingen die het teweegbrengt zijn ook niet permanent. Zodra de stroom wordt verwijderd, keert het materiaal terug naar de vorige staat en wordt de verbinding - en de informatiestroom - verbroken.

Om dit aan te pakken, heeft het team, dat bestaat uit onderzoekers van Stanford University, het Charles Stark Draper Laboratory, de University of Maryland en het Massachusetts Institute of Technology, een "set and forget" -schakelaar gemaakt die de verbinding kan behouden zonder extra energie. Ze gebruikten een faseovergangsmateriaal dat niet-vluchtig is, wat betekent dat het materiaal wordt getransformeerd door het kort te verwarmen, en het blijft in die staat totdat het een nieuwe warmtepuls ontvangt, waarna het terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat. Dit elimineert de noodzaak om constant energie in te voeren om de gewenste toestand te behouden.

Eerder hebben onderzoekers gedoteerd silicium gebruikt om het faseovergangsmateriaal te verwarmen. Silicium alleen geleidt geen elektriciteit, maar wanneer het selectief wordt gedoteerd met verschillende elementen zoals fosfor of boor, kan silicium zowel elektriciteit geleiden als licht verspreiden zonder enige overmatige absorptie. Wanneer een stroom door het gedoteerde silicium wordt gepompt, kan het als een verwarming werken om de toestand van het faseovergangsmateriaal erop te veranderen. Het addertje onder het gras is dat dit ook geen erg energiezuinig proces is. De hoeveelheid energie die nodig is om het faseovergangsmateriaal te schakelen is vergelijkbaar met de hoeveelheid energie die wordt gebruikt door traditionele thermo-optische schakelaars. Dit komt omdat de hele 220 nanometer (nm) dikke gedoteerde siliciumlaag moet worden verwarmd om slechts 10 nm faseovergangsmateriaal te transformeren. Er wordt veel energie verspild aan het verwarmen van zo'n groot volume silicium om een ​​veel kleiner volume faseovergangsmateriaal te schakelen.

"We realiseerden ons dat we moesten uitzoeken hoe we het volume dat moest worden verwarmd, konden verminderen om de efficiëntie van de schakelaars te verhogen", zegt hoofd- en co-corresponderende auteur Zhuoran (Roger) Fang, een UW-doctoraatsstudent elektriciteit en computer techniek.

Een benadering zou zijn om een ​​dunnere siliciumfilm te maken, maar silicium propageert het licht niet goed als het dunner is dan 200 nm. In plaats daarvan gebruikten ze een niet-gedoteerde 220 nm siliciumlaag om licht te verspreiden en introduceerden ze een laag grafeen tussen het silicium en het faseveranderingsmateriaal om elektriciteit te geleiden. Net als metaal is grafeen een uitstekende geleider van elektriciteit, maar in tegenstelling tot metaal is het atomair dun:het bestaat uit slechts een enkele laag koolstofatomen die zijn gerangschikt in een tweedimensionaal honingraatrooster. Dit ontwerp elimineert verspilde energie door alle warmte die door het grafeen wordt gegenereerd, te richten op het veranderen van het faseovergangsmateriaal. In feite is de schakelenergiedichtheid van deze opstelling, die wordt berekend door de schakelenergie te delen door het volume van het te schakelen materiaal, slechts 8,7 attojoule (aJ)/nm ³ , een 70-voudige reductie in vergelijking met de veelgebruikte gedoteerde siliciumverwarmers, de huidige state-of-the-art. Dit is ook binnen één orde van grootte van de fundamentele limiet van de energiedichtheid van het schakelen (1,2 aJ/nm ³ ).

Hoewel het gebruik van grafeen om elektriciteit te geleiden enige optische verliezen veroorzaakt, wat betekent dat er wat licht wordt geabsorbeerd, is grafeen zo dun dat niet alleen de verliezen minimaal zijn, maar dat het faseovergangsmateriaal nog steeds kan interageren met het licht dat zich in de siliciumlaag voortplant. Het team stelde vast dat een op grafeen gebaseerde verwarming de toestand van het faseovergangsmateriaal meer dan 1.000 cycli betrouwbaar kan veranderen. Dit is een opmerkelijke verbetering ten opzichte van de gedoteerde siliconenverwarmers, waarvan is aangetoond dat ze slechts een uithoudingsvermogen van ongeveer 500 cycli hebben.

"Zelfs 1.000 is niet genoeg", zei Majumdar. "Praktisch gesproken hebben we ongeveer een miljard uithoudingsvermogen nodig, waar we momenteel aan werken."

Nu ze hebben aangetoond dat licht kan worden gecontroleerd met behulp van een faseovergangsmateriaal en grafeenverwarmer, is het team van plan om te laten zien dat deze schakelaars kunnen worden gebruikt voor optische routering van informatie door een netwerk van apparaten, een belangrijke stap in de richting van het gebruik ervan in datacenters. Ze zijn ook geïnteresseerd in het toepassen van deze technologie op siliciumnitride voor het routeren van enkele fotonen voor quantum computing.

"Het vermogen om de optische eigenschappen van een materiaal af te stemmen met slechts een atomair dunne verwarming is een game-changer", zei Majumdar. "De uitzonderlijke prestaties van ons systeem op het gebied van energie-efficiëntie en betrouwbaarheid zijn echt ongehoord en kunnen zowel de informatietechnologie als kwantumcomputers vooruit helpen."

Andere co-auteurs zijn onder meer UW-studenten elektrotechniek en computertechniek Rui Chen, Jiajiu Zheng en Abhi Saxena; Asir Intisar Khan, Kathryn Neilson, Michelle Chen en Eric Pop van Stanford University; Sarah Geiger, Dennis Callahan en Michael Moebius van het Charles Stark Draper Laboratory; Carlos Rios van de Universiteit van Maryland; en Juejun Hu van het Massachusetts Institute of Technology. + Verder verkennen

Onderzoekers komen dichter bij het beheersen van tweedimensionaal grafeen